Fotonický krystal je mřížka struktur (například uspořádání tyčinek na nějakém povrchu nebo pevná látka obsahující pravidelně uspořádané dírky) s periodickou změnou indexu lomu. V takových materiálech se mohou šířit pouze vlny určitého frekvenčního pásma, zatímco jiné frekvence jsou pohlceny. Co se však stane, jestliže se takovou mřížkou pohybuje rázová vlna, která smršťuje nebo rozpíná charakteristické vzdálenosti uvnitř krystalu? Počítačové simulace poskytují překvapivou odpověď.

Evan J. Reen, Marin Soljačič a John Joannopoulos z MIT zjistili, že světelný paprsek procházející fotonickým krystalem, který je modifikovan rázovou vlnou, má dvě nové vlastnosti. Dopplerův posuv dosáhne hodnoty stokrát až desetitisíckrát vyšší než je běžné a frekvenční pásmo ze výrazně zúží. Známe řadu jevů, které frekvenční pásmo rozšíří, avšak dosud nebyl pozorován žádný jev, který by vedl k výraznému zúžení pásma (až čtyřikrát užší). Díky Dopplerovu posuvu (změny frekvence světla, které se odráží od pohybujícího cíle) se frekvence světla odraženého od rázové vlny "změní" (například červené světlo se změní v zelené) s účinností, která dosahuje nebo překračuje možnosti současných nelineárních materiálů. Navíc změna barvy světla rázovou vlnou je laditelná a nezávislá na intenzitě dopadajícího světla.

Evan Reed [M1] uvedl, že tento výzkum v MIT by mohl vyvolat zájem mezi odborníky, kteří se fotonickými krystaly zabývají. Následující krok spočívá v realizaci těchto počítačových výsledků v laboratoři se skutečnými vzorky fotonických krystalů a rázovými vlnami, přestože případné komerční aplikace (změna frekvence a modulace signálu) nebudou zřejmě využívat mocných světelných pulsů výkonných laserů, ale méně ničivých akusticko-optických jevů. (Reed et al., Physical Review Letters, duben 2003; [X1])

V americké Národní laboratoři v Oak Ridge se pomocí dutinových oscilátorů podařilo změřit femtogramovou hmotnost. Malé odštěpky křemíku o délce 2 mikronů a tloušťce 50 nanometrů jsou rozkmitány diodovým laserem na frekvence několika MHz a jsou vystaveny působení plynu drobných částic nebo molekul. Podle toho, čím jsou odštěpky potaženy, některé částice jsou povrchem odštěpků absorbovány a dochází k měřitelné změně jejich resonační frekvence. V uvedeném testu použitou parou byla kyselina, která po absorbci vyvolávala změnu hmotnosti s přesností 5 femtogramů. Touto metodou lze účinně detekovat různé částice, jako jsou molekuly DNA, proteinu, buňky, nebo lze vysledovat různé chemické nečistoty. Experiment byl proveden za běžných fyzikálních podmínek, tedy nikoliv ve vakuu nebo za kryogenních teplot. Panos Datskos [M2] z Národní laboratoře v Oak Ridge tvrdí, že citlivost měření hmotnosti lze ještě zvýšit až na molekulární úroveň, pokud bude kmitočet vibrací odštěpků zvýšen z použitých 2 MHz až na 50 MHz. (Lavrik and Datskos, Applied Physics Letters, 21. dubna 2003; [X2], [X3])

Boseovy-Einsteinovy kondenzáty jsou mnohostranným testovacím nástrojem pro studium kvantových jevů a možná také pro testování kosmologických hypotéz. Fyzikové z University v Nottinghamu ve svých simulačních výpočtech umístili alkalický Boseův-Einsteinův kondenzát do optické mřížky, svazku laserových paprsků, které udržují atomy v určité trojrozměrné síti. Poté otřesy uvedly oblak atomů, tvořící Boseův-Einsteinův kondenzát, do pohybu a studovali rozptyl na stejném "krystalu" ze světelných paprsků. Místo toho, aby roentgenové paprsky tvořily Braggův rozptyl na krystalu proteinu, Boseovy-Einsteinovy vlny se rozptylovaly na "světelném krystalu". Jak vlákna procházejí optickou mřížkou, obrazec Braggových odrazů může vytvořit samovolně se pohybující solitony a lokální víry v místech, z nichž byly atomy kondenzátu vyjmuty. Tyto solitony mohou celý Boseův-Einsteinův kondenzát destabilizovat a způsobit jeho explozi. Výzkumníci z Nottinghamu se pokusili tuto explozi matematicky modelovat pomocí nelineární Schrodingerovy rovnice, modifikovanou verzí rovnice, jíž se řídí vlastnosti elektronových vln uvnitř atomu. Mark Fromhold [M3] tvrdí, že podobné rovnice lze použít pro studium statistického rozdělení galaxií ve vesmíru. (Scott et al., Physical Review Letters, 21. března 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 634. April 23, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

V domácí vodoinstalaci někdy poklesne tlak vody a v části potrubí se dočasně vytvoří vakuum. Jeho důsledkem je rázová vlna, která prudce otřese potrubím. Tento jev můžeme pozorovat při dočasném přerušení dodávky teplé vody.

Na zasedání Akustické společnosti v Nashville koncem dubna 2003 Seth Putterman z Kalifornské univerzity v Los Angeles popsal novou metodu "vodního kladiva" pro generování sonoluminiscence, přeměny zvuku ve světlo. Jeho nové zařízení vytváří sonoluminiscenční záblesky vyšší intenzity, než se dosud podařilo. Běžná metoda vytváření sonoluminiscenčních záblesků spočívá ve vysílání zvukových vln do nádoby s kapalinou, kde vytvořené bublinky explodují za vzniku velmi krátkých záblesků světla.

Nová metoda používá 20 palců dlouhou a 1,5 palce širokou válcovou trubku (1 palec = 25,4 mm), která je naplněna vodou a malým množstvím xenonového plynu. Trubice je protřepávána tak, že voda se dostává do jejích opačných konců a uprostřed dočasně vzniká asi centimetr dlouhá oblast vakua. Jak se vakuum uzavírá, vzniká silná rázová vlna, která ve vodě vytváří sonoluminiscenční záblesky, při nichž vzniká asi 300 miliónů fotonů (asi 100 krát více než v jiných experimentech). Výkon zařízení dosahuje až 0,5 Wattu. Podle Puttermana větší počet vznikajících fotonů umožňuje lepší měření jevu sonoluminiscence, který dosud nebyl uspokojivě vysvětlen. (Su et al., Physics of Fluids, červen 2003.)

V jiném experimentu bylo použito klasické uspořádání: působení zvuku na nádobu s kapalinou. Putterman a jeho kolegové úspěšně vyvolali jev sonoluminiscence použitím zvuku o kmitočtu 1 MHz místo běžně používaného zvuku o kmitočtu 20 až 40 kHz. Zatímco zvukové vlny o kmitočtu několika MHz se v různých akustických aplikacích běžně využívají, dosud se nepodařilo těmito vlnami vyvolat jev sonoluminiscence. Krátká vlnová délka těchto zvukových vln nabízí možnost nasměrovat lokální zvukové pole ve vodě do bodu, v němž se pak jediná bublina může zhroutit synchronně s dopadajícím zvukem. Ve srovnání s použitím kilohertzových zvukových vln megahertzová sonolumuniscence vytváří výrazně odlišné spektrum světla. Proto výzkumníci plánují další výzkum této nové možnosti.

Nová seismická studie horninového podkladu pod územím Nikaraguy ukázala, že tento podklad má dosud nejvyšší koncentraci vody, která kdy byla v sopečné oblasti pozorována. Podobně jako radar je schopen podat informace o tvaru povrchu a vegetaci, seismické vlny jsou schopny přinést informace o vrstvě až 150 kilometrů pod zemským povrchem. Vědci z Bostonské univerzity Geoffrey Abers a Terry Planck a jejich kolega z Kalifornské univerzity v Santa Barbara Bradley Hacker zjistili, že seismické vlny z hloubek 100 až 150 kilometrů pod sopkami v Nikaraguy se chovají tak, jako by procházely určitým vlnovodem v horninovém podkladu. Z rychlosti šíření seismických vln výzkumníci usoudili, že obsah vody ve skalnatém podkladu je asi 5 procent, což je asi 2 krát až 3 krát více, než je běžné v jiných subdukčních deskách. Voda se jako určité mazivo podsouvá s deskou oceánského dna pod pevninskou desku a později se dostává na povrch výrony lávy. Proto je koncentrace vody v lávě sopek v Nikaraguy zvýšená. Abers [M1] tvrdí, že horninový podklad v Nikaraguy, podobně jako velmi "vlhký" podklad poblíž Guamu, je velmi strmý (úhel subdukce je v případě Nikaraguy asi 70 stupňů) a zřejmě proto lépe vede kapaliny. (Geophysical Research Letters, 1. dubna 2003.)

Výzkumníkům se poprvé podařilo vyrobit uhlíkové nanovlákno, téměř jednorozměrné vlákno z atomů uhlíku protažené uhlíkovou nanotrubičkou. Uhlíkové řetězce byly pozorovány již dříve, avšak nikdy uvnitř uhlíkové nanotrubičky. Yosinori Ando a jeho kolegové z Nagoyaské university v Japonsku vytvořili uhlíková nanovlákna uvnitř shluku nanotrubiček elektrickým obloukem mezi dvěma uhlíkovými elektrodami, avšak místo běžné héliové atmosféry použili vodíkovou atmosféru. Poznamenejme, že tento tým nedávno vytvořil nejmenší nanotrubičky o průměru jen 0,4 nanometru a vícestěnné nanotrubičky s nejtenčním vnitřním průměrem jen 1 nanometr.

Uhlíková nanovlákna mají zajímavé mechanické vlastnosti, jichž lze využít v kosmických lodích v podobě ultrasilných vláken nebo jako ložiska bez tření. Jejich chemické vlastnosti jsou také ojedinělé. Sloučeniny uhlíku se obvykle klasifikují podle typu chemické vazby. Tato vazba může být typu "s" (elektron se vyskytuje v elektronovém orbitu kulového tvaru) nebo typu "p" (elektron se vyskytuje v elektronovém orbitu tvaru činky, přičemž tento orbit může být orientován ve směru jedné ze souřadnicových os lokální soustavy souřadnic). Známými vazbami atomů uhlíku jsou hybridní vazby "sp³" (např. diamant), "sp²" (grafit, fullereny, nanotrubičky) a "sp" (uhlíkové řetězce). Avšak nanovlákna obsahují jak vazby "sp" tak vazby "sp²".

V elektronice uhlíková nanovlákna mohou představovat vůbec nejmenší přechod mezi kovy nebo mohou být vysoce koherentním bodovým zdrojem elektronových paprsků o jediné energii. Konečně uhlíková nanovlákna nabízejí rychlý způsob studia jednorozměrných uhlíkových řetězců, které mohou být příčinou dosud záhadných emisí záření v mezihvězdném prostoru. (Zhao et al., Physical Review Letters; kontakt: Yoshinori Ando, [M2]; web: [X1])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 635. May 1, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Nová studie ukazuje, že elektrony s velmi nízkou energií mohou narušit pyrimidinovou bázi nukleových kyselin uracil. Jak vážná poškození živých buněk způsobuje záření alfa (jádra atomů hélia), beta (elektrony z beta rozpadu), gama (fotony s vysokou energií) nebo těžké ionty)? Tato důležitá otázka se řeší již řadu let různými způsoby. Velká pozornost se soustředila na sekundární částice, které vznikají v důsledku primárního záření, zejména elektronů (na každý MeV vyrobené energie vznikne 40000 elektonů) s typickou energií desítek eV. Většina těchto částic rychle ztratí svoji energii a je vázána v molekulách vody uvnitř buněk. Jaké však je obecné působení elektronů s energiemi nižšími než 20 eV? Jedna ze studií (Boudaiffa et al., Science 287, 1658, 2000) ukázala, že elektrony s energiemi od 3 do 20 eV mohou působit závažné škody na genomu poškozením pramenů DNA. Mohou nějaké škody způsobit elektrony o ještě nižších energiích?

Tilmann Maerk a jeho kolegové z Universitat Innsbruck v Rakousku a z University Clauda Bernarda v Lyonu ve Francii studovali rozptyl paprsku elektronů o energiích nižších než 1 eV v plynu z molekul uracilu. Uracil je jedna z pyrimidinových bází molekul RNA. Vědci zjistili, že molekuly uracilu mohou být narušeny elektrony s energiích řádu tisíciny elektronvoltu. Na molekuly uracilu nepůsobí kinetická energie elektronů, ale elektrický náboj, který mění vnitřní energetické prostředí molekuly. Navíc se z molekul uracilu působením elektronů uvolňují atomy vodíku, které jako radikály mohou způsobit další poškození biomolekul v buňce. [X1]

Tilmann Maerk [M1] tvrdí, že taková poškození elektrony o velmi nízké energii jsou zřejmě obecným jevem, protože jeho skupina již provedla obdobné experimenty s thyminem, který je bází molekuly DNA. (Hanel et al., Physical Review Letters, 9. května 2003; web University v Innsbrucku: [X2])

Dokonalost je jak v přírodě tak v laboratoři vzácností. Výzkumníci University v Hostounu však zjistili, že krystaly insulinu často rostou dokonalým způsobem. Tento objev by mohl vést k novým technologiím v mikroelektronice, ke kvalitnější medicíně, k novým chemickým látkám nebo zařízením. Výzkumníci (Peter Vekilov, [M2]) zjistili, že pokud proteiny insulinu krystalizují kolem šroubovitě dislokovaného defektu v existujícím krystalu insulinu, tak vytvářejí spirálovitá seskupení dokonale krystalizovaného insulinu (viz [X3]) (Šroubovité dislokace jsou běžným typemm defektů v krystalech, které vznikají malou úhlovou odchylkou jednotlivých vrstev krystalu). Ve většině krystalů interakce mezi ukládanými vrstvami, které tvoří hrany rostoucího krystalu, způsobují shlukování molekul, jehož důsledkem je zbrázdění povrchu krystalu. Rozpuštěná látka v okolním roztoku se díky interakcím mezi vrstvami ukládá na povrchu krystalu nepravidelně. Insulin však má neobvyklou vlastnost: interakce mezi vrstvami jeho krystalů jsou velmi malé.

Výzkumníci si dosud nejsou jisti, zda taková dokonalost růstu krystalů je možná také u jiných roztoků. Přesto porozumění faktorům, které vedou k dokonalému růstu krystalů insulinu, by mohlo přispět k úpravám fyzikálních a chemických podmínek pro růst jiných krystalů. Například správně připravený roztok by mohl omezit shlukování vrstev, které je důsledkem odlišného působení rozpuštěné látky na různé oblasti krystalu.

Výrobci také mohou vznikajícím krystalům vnutit šroubovité dislokace místo toho, aby nechaly krystaly narůstat kolem jiných dislokací, které vytvářejí nedokonalé struktury. Mikroelektronika je jedna z oblastí, která by z lepší metody růstu krystalů mohla mít výrazný užitek. Mikročipy zhotovené z galliumarsenidu jsou často rychlejší než křemíkové mikročipy. Avšak technologicky růst galliumarsenidových krystalů lze zajistit obtížně. Informace získané ze studia růstu krystalů insulinu by mohly tento problém vyřešit. (O. Gliko et al., Physical Review Letters, květen 2003)

Nejmenší emitor světla v pevné fázi zhotovil Phaedon Avouris a jeho kolegové v IBM. Emitor se skládá z jednostěnné uhlíkové nanotrubičky upevněné mezi dvěma elektrodami a řízené třetí elektrodou. Funkční část tohoto nanoskopického transistoru je nanotrubička o šířce jen 1,4 nanometru, která je upravena tak, aby byla polovodičem. Elektrony přicházející z jedné elektrody se setkávají s kladně nabitými "děrami" z druhé elektrody. Když se obě "částice" střetnou, vznikne nepatrný záblesk světla. Toto světlo má vlnovou délku 1,5 mikronu a přestože je pro lidské oko neviditelné, je dokonale vhodné pro fotonické aplikace. Proč však používat nanoskopický emitor světla, když běžné polovodiče jsou schopny mnohem většího světelného výkonu? Příčina spočívá ve vyšší účinnosti přeměny energie a v kompaktnosti oblasti, která světlo emituje. Jednomolekulová světelná emise byla již objevena dříve, avšak dosud nikdy nebyla využita v pevné fázi (pouze v kapalné nebo plynné). Nanotrubičkové vlákno je navíc výkonné, protože dokáže přenášet proud až 6 mikroampérů při hustotě proudu více než 10⁸ ampérů na čtverečný centimetr. (Misewich et al., Science 2. května 2003.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 636. May 7, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Experiment provedený ve Stanfordském středisku lineárního urychlovače SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), které 2. října 2002 oslavilo 40 let své existence, přinesl hned několik prvenství. Poprvé se podařilo urychlit positrony metodou plasmových vybuzených polí. Poprvé v této metodě byla použita plasma o metrové velikosti (dosud byly používány buňky o velikosti 10 centimetrů). Poprvé byly použity realistické podmínky urychlovače (v tomto případě proud positronů o energii 30 GeV). Společný tým Kalifornské univerzity v Los Angeles UCLA (University of California Los Angeles), SLAC a USC posílal výtrysky positronů do 1,4 metru velké komory vyplněné plasmou atomů lithia. V prvních dvou třetinách komory výtrysk positronů vyvolal v plasmě silná elektrická pole, která v poslední třetině komory urychlila positrony dodáním energie. Positrony zvýšily svoji energii o 80 MeV ve vzdálenosti 1,4 metru, tedy urychlovací gradient byl kolem 50 MeV/m. Tento gradient je srovnatelný s dosud nejlepšími urychlovači, které používají radiofrekvenční metody, při nichž jsou elektrony nebo positrony urychlovány rádiovými vlnami. Výzkumníci očekávají, že gradient bude možno zvýšit až na 5 Ge/m, pokud se velikost pulsů zmenší na desetinu. Chan Joshi z UCLA [M1] je přesvědčen, že výhody použité metody se plně osvědčí až po výstavbě elektron-positronového urychlovače. Metodu však již lze testovat pomocí dvou plasmových urychlovačů, jednoho pro positrony a druhého pro elektrony.(Blue et al., Physical Review Letters, květen 2003)
 

Pohyb bublinek mikroskopickými stříkačkami pomocí zvuku experimentálně vyzkoušeli holandští výzkumníci (Claus-Dieter Ohl, Univerzity v Twente, [M2]). Tuto metodu bude možno využít pro injekční vpravování léků nebo genů do specifických oblastí těla pacienta.

Pomocí fotografií získaných pod mikroskopem vysokou rychlostí výzkumníci zjistili, že bublinky menší než je tloušťka lidského vlasu se působením zvuku mohou změnit v tenké trubičky, které přenášejí asi 10^-15 galonu kapaliny (1 galon = 3,7854345 dm³). Přestože tento subnanoskopický objem je velmi nepatrný, může být dostatečný pro přenos velkých molekul (jako je molekula DNA nebo molekuly vetšiny léčiv) do určených buněk při léčebné terapii.

Ve svém experimentu výzkumníci použili nádobu s vodou při pokojové teplotě, z níž odstranili část plynného kyslíku. Pak uvnitř této nádoby vytvořili bublinky o velikosti od 7 do 55 mikronů. Pak do kapaliny vysílali ultrazvuk silné intenzity a tím vytvořili ultrazvukové rázové vlny. Tyto rázové vlny jednak bublinky stlačily do tvaru trubiček a jednak do nich vpravily malé množství okolní kapaliny. Kapalina se pohybuje v trubičkách velmi vysokou rychlostí, takže jedním koncem trubičky uniká ven jako z mikroskopické stříkačky. Výzkumníci jsou přesvědčeni, že díky vysoké rychlosti kapalina může snadno proniknout nějakou blízkou buněčnou menbránou. Rozpuštěné léky nebo genetický materiál v okolí mikrobublinek lze tímto mechanismem vstřikovat do požadovaných buněk. Dlouho předpokládané a nyní potvrzené mikrostříkačky se tak mohou v blízké budoucnosti stát užitečným lékařským nástrojem. (Ohl and Ikink, Physical Review Letters, květen 2003).

Výzkumníci jiné skupiny Univerzity v Twente vyvinuli novou akustickou metodu pro manipulaci s buňkami, označovanou jako "sonoporaci", při níž jemně oscilující bublinky připojené k povrchu deformují nebo dokonce propichují buněčné membrány. (Marmottant and Hilgenfeldt, Nature, 8. května 2003).
 

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 637. May 14, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.